Unsere Milchstraße - keine typische Spiralgalaxie

Forschungsbericht (importiert) 2020 - Max-Planck-Institut für Astrophysik

Autoren
Fragkoud, Francesca
Abteilungen
Max Planck Institute for Astrophysics, Garching
Zusammenfassung
Durch eine Analyse der Auriga-Simulationen, bei denen die Entstehung von Galaxien von kurz nach dem Urknall bis heute modelliert wird, konnten Wissenschaftler am MPA die Entstehungsgeschichte unserer Galaxie eingrenzen. Ein Vergleich dieser Simulationen mit Beobachtungen der Milchstraße - insbesondere mit den Bewegungen der Sterne in ihren inneren Regionen - führte zu dem Schluss, dass unsere Galaxie in den letzten 12 Milliarden Jahren weitgehend isoliert war und nur kleine Galaxien mit weniger als 5 % ihrer Masse verschluckt hat.

Abb. 1: Für fünf simulierte Galaxien zeigt dieses Diagramm, wo die Sterne der inneren Regionen geboren wurden: entweder in anderen Galaxien, die mit der Galaxie verschmolzen sind (rot, ein kleiner Bruchteil) oder in-situ (hellblau, die große Mehrheit).

Rund zwei Drittel aller Spiralgalaxien im heutigen Universum besitzen eine zentrale längliche Struktur, einen sogenannten Balken. Auch unsere Milchstraße zählt zu diesem Galaxientyp. Beobachtungen haben gezeigt, dass sich die Sterne in diesem Balken auf länglichen Bahnen um das Zentrum bewegen (Abbildung 1 und Video). Betrachtet man die Scheibe der Milchstraße von der Seite, so scheint der Balken außerdem eine ausgeprägte X- oder Erdnussform zu haben. Die Bahnebenen der Sterne liegen hier nicht in der Milchstraßenebene, sondern erstrecken sich über und unter sie hinaus.

Unsere Gruppe am MPA suchte in Simulationen nach Signaturen solcher Balken und fand heraus, dass ein großer Teil der simulierten Galaxien diese Strukturen bilden. Anschließend untersuchten wir die Eigenschaften dieser Galaxien in Abhängigkeit von ihrer Entwicklungsgeschichte. Genauer gingen wir der Frage nach, wie sich das Verschmelzen mit anderen Galaxien auf eine Balkenstruktur auswirkt. Das Ergebnis: Um der hochgeordneten Rotation der Sterne in der Milchstraße zu entsprechen, müssen die simulierten Galaxien in den letzten 12 Milliarden Jahren eine sehr ruhige Verschmelzungsgeschichte gehabt haben. Es kann keine massereiche Galaxie mit mehr als 10 % der Masse der Milchstraße in dieser Zeit mit der Galaxie verschmolzen sein. Andernfalls wären die gravitativen Störungen so groß gewesen, dass die Sternbahnen durcheinander geraten wären. Dies würde zu einer weniger geordneten Bewegung und damit zu einer höheren Geschwindigkeitsdispersion führen als wir sie messen.

Sternorbits in Balkenspiralgalaxien

Diese Simulation zeigt die Bewegung von Sternen in einer Spiralgalaxie in der Auriga-Simulation, die unserer Milchstraße ähnelt. Beide Visualisierungen zeigen die gleiche Galaxie, allerdings dreht sich rechts das Koordinatensystem mit der Galaxie, so dass der Sternbalken im Zentrum horizontal bleibt. Die Linien folgen den Bahnen von drei Sternen in verschiedenen Teilen der Galaxie: im Sternbalken sowie oben und unten.

Da Galaxien wachsen, indem kleine Galaxien miteinander verschmelzen und mit der Zeit immer größere Strukturen bilden, bedeutet dies, dass die Milchstraße eine recht isolierte und daher seltene Galaxie im Universum sein muss. Wir fanden heraus, dass nur 2 von 40 simulierten Galaxien Eigenschaften haben, die zur Milchstraße passen – ein weiterer Hinweis darauf, dass unsere Heimatgalaxie wahrscheinlich ein "Ausreißer" im großen Schema der Galaxienentstehung ist.

Die aktuelle Studie hilft zudem, ein ziemlich einschneidendes Ereignis im Leben unserer Galaxie besser zu verstehen. In der bahnbrechenden zweiten Datenveröffentlichung des Astrometriesatelliten Gaia (Gaia DR2) wurde entdeckt, dass die Milchstraße wahrscheinlich vor etwa 9 Milliarden Jahren mit einer anderen Galaxie (genannt Gaia Enceladus) verschmolzen ist. Das war vermutlich die letzte größere Vereinigung in der Geschichte der Milchstraße. Die Masse von Gaia Enceladus wird immer noch diskutiert, wir können jetzt aber mit dieser Studie eine obere Grenze für die Masse von Gaia Enceladus angeben: Demnach kann sie höchstens 10 % der Milchstraßenmasse besessen haben, wahrscheinlich betrug sie nur 3 %.

Darüber hinaus simulierten wir mehrere virtuelle Milchstraßen, um herauszufinden, wo sich in ihnen neue Sterne bilden.  Mehr als 99 % aller Sterne entstanden in-situ, sprich in der Scheibe der Galaxie (Abbildung 2). Bislang war die Vermutung, dass die Sterne in den inneren Bereichen der Milchstraße (dem sogenannten Bulge oder Ausbeulung) nicht dort entstanden sind, sondern in den Galaxien, die mit der Milchstraße verschmolzen sind.

Wie unsere Galaxie entstand

Die aktuelle Studie hilft zudem, ein ziemlich einschneidendes Ereignis im Leben unserer Galaxie besser zu verstehen. In der bahnbrechenden zweiten Datenveröffentlichung des Gaia-Satelliten (Gaia DR2) wurde entdeckt, dass die Milchstraße wahrscheinlich vor etwa 9 Milliarden Jahren mit einer anderen Galaxie (genannt Gaia Enceladus) verschmolzen ist, vermutlich die letzte größere Verschmelzung in der Geschichte der Milchstraße. Die Masse von Gaia Enceladus wird jedoch immer noch diskutiert. Die Wissenschaftler des MPA können jetzt mit dieser Studie eine obere Grenze für die Masse von Gaia Enceladus angeben: Gaia Enceladus kann maximal 10% so massereich wie die Milchstraße gewesen sein, wahrscheinlich war ihre Masse aber nur 3% der Milchstraße.

Abb. 2: Für fünf simulierte Galaxien zeigt dieses Diagramm, wo die Sterne der inneren Regionen geboren wurden: entweder in anderen Galaxien, die mit der Galaxie verschmolzen sind ( rot, ein kleiner Bruchteil) oder in-situ (hellblau, die große Mehrheit).

Darüber hinaus untersuchten die Wissenschaftler, wo die Sterne in den inneren Regionen ihrer simulierten „Milchstraßen“ geboren wurden: über 99% dieser Sterne entstanden "in-situ", d.h. in der Scheibe der Galaxie selbst (siehe Abbildung 2). Dies steht im Gegensatz zu dem, was die Wissenschaftler bisher vermutet hatten, nämlich dass die Sterne in den inneren Bereichen der Milchstraße, der sogenannten "Ausbeulung", in anderen Galaxien entstanden sind, die mit der Milchstraße verschmolzen.

Die Simulationen zeigen zudem, wie sich die Balken auf die äußeren Bereiche ihrer Galaxien auswirken und dass diese insbesondere in den Scheiben Wellen und Sternströme erzeugen. Derartige Wellen wurden mit Gaia DR2 auch in der Scheibe der Milchstraße entdeckt; allerdings ließ sich die Entstehung dieser Wellen bisher nicht erklären. Durch den Vergleich einiger spezifischer Merkmale der Wellen, die an unterschiedlichen Stellen der Scheibe in Abhängigkeit von der Drehung des Balkens entstehen, können wir bestimmen, wie schnell der Balken unserer Milchstraße rotiert. Dies wird helfen zu erklären, was die beobachteten Wellen und ihre Bewegungen hervorgerufen hat. Dies ist ein wichtiger Beitrag in der Entschlüsselung der Struktur unserer Heimatgalaxie.

Literaturhinweise

1.
Fragkoudi, F.; Grand, R. J. J.; Pakmor, R. et al.
Chemo-dynamics of barred galaxies in the Auriga simulations: The in-situ formation of the Milky Way bulge
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 494, 5936-5960 (2020)
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